管內(nèi)氣液兩相流流型研究現(xiàn)狀與發(fā)展

房賢仕，李秋英，陳 杰，邱國棟，蔡偉華

(1.東北電力大學能源與動力工程學院，吉林 吉林 132012；2.中海石油氣電集團有限責任公司，北京 100027)

管內(nèi)氣液兩相流流型的研究是研究流動與換熱規(guī)律的基礎(chǔ)[1-2].在兩相流動中需要判斷出流動屬于何種流型后，才能給出合適的理論模型.

Zhuang等[3-5]研究了甲烷、乙烷在水平管內(nèi)兩相流型，結(jié)果表明，流型轉(zhuǎn)換基本與飽和壓力無關(guān)，大換熱溫差會使段塞流向彈狀流轉(zhuǎn)換干度減小，對彈狀流向波狀流轉(zhuǎn)換影響不大.Chisholm[6-7]總結(jié)了前人的成果，繪制出空氣-水、R12的流型圖，研究結(jié)果表明，隨著氣相速度增加，夾帶作用會增強，流型會從泡狀流逐漸變?yōu)檫^渡流與霧狀流.Shao 等[8-9]比較了純工質(zhì)、共沸混合工質(zhì)以及非共沸混合工質(zhì)在水平管中的冷凝流動，當流型為波狀流時，換熱系數(shù)與質(zhì)量流率無關(guān)，當流型為環(huán)狀流時，換熱系數(shù)隨質(zhì)量流率的增加而增大，對于滑移溫度較大的非共沸混合工質(zhì)，所有流型下?lián)Q熱系數(shù)均隨質(zhì)量流率增加而增大.Zhang等[10]開發(fā)了水平管內(nèi)二元混合物冷凝計算模型，分析了R410A、R32/R134a混合物的冷凝換熱情況，結(jié)果表明，對于環(huán)狀冷凝，界面溫度隨干度的增加先增大后減小，轉(zhuǎn)變干度隨質(zhì)量流率的增大而增大.

目前大部分對流型圖的研究與傳熱或壓降模型是分開的[11]，也有部分研究者僅給出了流型圖并沒有給出判別準則.例如Macdonald等[12]研究了水平管內(nèi)乙烷/丙烷混合物的冷凝換熱，僅從不同管徑下對混合效應引起的換熱惡化進行分析.Diehl[13]以空氣-水、戊烷氣液相混合物為工質(zhì)開展了水平直列管流動特性，實驗中觀察到了環(huán)狀流與霧狀流，但并沒有給出流型判別準則.本文將針對流型的劃分方法、影響因素以及流型轉(zhuǎn)換的判別方法進行總結(jié)，并給出了目前管內(nèi)兩相流流型存在的問題及研究難點.

1 流型的劃分方法

常見的流型劃分方法為兩類，第一類是根據(jù)流體外觀進行劃分，也稱之為形態(tài)學劃分；第二類根據(jù)氣相與液相的分布特征進行劃分.由于實驗方法和人為判斷的差異，根據(jù)流體的外觀進行劃分存在一定的主觀性，劃分的名稱也不統(tǒng)一.常見的劃分方法是根據(jù)氣體量來進行區(qū)分，由少至多分別為氣泡流、塞狀流(氣團流)、分層光滑流、分層波浪流、段塞流(彈狀流、沖擊流)、環(huán)狀流、霧狀流.根據(jù)相分布特點將流型劃分為分散流、間歇流、離散流.根據(jù)現(xiàn)象描述或流動機理分析來選擇采用形態(tài)學劃分或分布特征劃分[14-19].

1.1 垂直上升管流型

垂直上升管中氣液兩相流型通常劃分為五種流型[20].常見的為泡狀流也稱氣泡流.其特征為液相中存在不同尺寸的氣泡；第二種為氣彈狀也稱彈狀流，該流型由多個氣彈構(gòu)成；第三種為塊狀流，由氣彈破裂后形成；第四種是流速較高下形成的長纖維形狀流型；第五種為壁溫升高后液膜隨之汽化形成的霧狀流.

1.2 垂直下降管流型

空氣水混合物在垂直下降管內(nèi)的流型包括六種[20].分別為細泡狀流、氣彈狀流、下降液膜流、帶氣泡的下降液膜流、塊狀流、霧環(huán)裝流.不同流動方向下的細泡狀流型也不相同.當流量較小且核心為氣相時，有一層沿著管壁向下流動的液膜，形成下降液膜流型；隨著流量逐漸增加變?yōu)閴K狀流；當氣相流量增大到一定程度后變成含有液膜的霧式環(huán)狀流.

1.3 水平管內(nèi)流型

Breber[21]研究了水平冷凝管內(nèi)的流型，當質(zhì)流密度不同時，管內(nèi)的出現(xiàn)的流型不完全相同，但是靠近入口段的流型是相同的，相同的流型依次為環(huán)霧狀流、環(huán)狀流和半環(huán)狀流.之后二者的流型開始出現(xiàn)分歧，當質(zhì)流密度較大時，之后的流型依次為彈狀流、塞狀流和過冷液體；當質(zhì)流密度較小時，之后的流型依次為波狀流、分層流，如圖1所示.

圖1 水平冷凝管內(nèi)的流型

莊曉如等[22]對R170在水平光滑管(D=4 mm)內(nèi)的兩相流型進行了實驗研究，壓力1.5 MPa～2.5 MPa，質(zhì)量流率100 kg/(m2·s)～250 kg/(m2·s)，觀察到的五種流型，分別為塞狀流、彈狀流、過渡流、波狀流和環(huán)狀流.

中國科學院大學[23]對R600a在內(nèi)徑為6 mm的光滑水平管內(nèi)的兩相流流型進行了詳細的實驗研究.實驗的飽和壓力為0.215 MPa～0.415 MPa，質(zhì)量流率100 kg/(m2·s)～250 kg/(m2·s).測試不同制冷劑的流動沸騰特性.在高速攝像的基礎(chǔ)上，確定了四種主流流型：塞狀流、分層波狀流、段塞流和環(huán)狀流.

周云龍等[24]提出了一種通過提取壓差波動信號參數(shù)來識別水平圓管內(nèi)流型變化的方法.

1.4 螺旋管內(nèi)流型

螺旋管內(nèi)向上流動的流型分類與水平管相近，主要包括分層流、柱塞狀流、波狀流、彈狀流、環(huán)狀流、分散泡狀流6種.螺旋管下降流流型圖與水平及微傾斜向下直管流型圖相近.實驗中未發(fā)現(xiàn)由波狀流直接向環(huán)狀流的轉(zhuǎn)變，這與向上流動有些不同，郭烈錦[25]認為因向下流動時液相具有較高的流速，此時氣相速度相對較低，液層也較薄所致在波狀流、彈狀流的判定和定義上與前人存在差別也是導致這一結(jié)果的原因之一.

陳學俊等[19]通過實驗對工質(zhì)為空氣、水的氣液兩相流在立式螺旋管內(nèi)流型變化進行了分析研究，把螺旋管內(nèi)氣液兩相流流型分為波狀流、柱塞狀流、彈狀流、環(huán)狀流、分散泡狀流5種.李兆谞[18]通過對不同管徑、不同螺旋直徑下的螺旋管進行實驗研究，發(fā)現(xiàn)6種流型分類，螺旋管下各流型流動特征與直管存在差異，并提出了結(jié)合氣泡弦長、液彈的長度、含氣率來劃分流型的方法，有助于消除流型識別主觀差異，得到比較客觀的流型圖.

需要指出的是，目前的流型劃分方法都是通過實驗，根據(jù)形態(tài)來劃分，這是非常粗糙的方法，無法描述流型的細節(jié)特性.例如冷凝管內(nèi)冷凝液膜的存在，導致分層流或波狀流的上壁面仍然被液膜覆蓋，其流動與換熱特性實際上與絕熱管內(nèi)有很大的區(qū)別的，但從形態(tài)學的流型劃分角度無法區(qū)分這些細節(jié)特征.

2 流型的影響因素

流型影響因素較多，主要包括氣液各相的流速、氣液相物性參數(shù)、管道形狀、流動方向等.下面介紹其中幾種最主要的因素對流型的影響.

(1)氣液流量

氣相、液相流量是影響流型的最主要因素之一[19].當管徑固定時，可通過表觀速度來反映流量大小.目前多數(shù)工業(yè)使用的流型圖均以氣相、液相表觀速度來劃分.如曼德漢流型圖，以空氣、水為工質(zhì)，橫縱坐標分別為氣相表觀速度與液相表觀速度.

(2)流體的物理性質(zhì)

流體的物性參數(shù)也會影響流型的轉(zhuǎn)換[19].例如，當液相速度相同時，液相粘度越大，氣泡流轉(zhuǎn)換為沖擊流所需要的氣體流量越小.

(3)管徑

管徑對流型過渡的也存在較大影響[19].隨著管徑增加，增加液相表觀速度可得到段塞流，減小氣相流速可得到環(huán)狀流.

(4)傾角

流型的判斷必須考慮傾角的影響[19].根據(jù)實驗觀測的結(jié)果，在下坡流中，幾乎全部都是分層流，當氣相速度較高時轉(zhuǎn)變?yōu)闆_擊流和環(huán)狀流.在不同傾角下，表現(xiàn)為不同流型.

3 流型轉(zhuǎn)換判別方法

目前流型的判別主要分為兩大類，包括經(jīng)驗判別法與理論判別法.經(jīng)驗判別法是基于已有的實驗數(shù)據(jù)得到的流型圖或判別式，會因不同研究者的實驗工況以及考慮流型轉(zhuǎn)變因素不同給出不同的結(jié)論.在流型轉(zhuǎn)換的經(jīng)驗判別式中，不同參數(shù)的選取，如氣液折算速度、截面含氣率、We數(shù)、修正We數(shù)、Xtt數(shù)、Fr數(shù)或其他自定義的無量綱數(shù)等，具有隨意性.因此通過流型圖來判別具有一定的局限性，一般只適合于特定的工質(zhì)、工況，當實際工況與實驗得到的流型圖工況接近時，用該方法判別流型較為準確，但當超出其實際實驗數(shù)據(jù)工況的范圍時，經(jīng)驗判別式的可靠性無法保證.

理論判別法是通過分析流型轉(zhuǎn)換的機理并建立理論模型，得到流型轉(zhuǎn)換界限，其中Taitel[26]提出的理論模型具有很強的代表性.之后，許多研究者在此基礎(chǔ)上結(jié)合實驗數(shù)據(jù)進行修改，從而發(fā)展得到半理論模型.理論判別法根據(jù)一定的流型轉(zhuǎn)換機理推導而來，通用性比經(jīng)驗判別法要強，對不同工質(zhì)、不同工況下，流型轉(zhuǎn)換的機理可能存在差異，因此簡單把適用于空氣水的理論模型應用其他工質(zhì)、工況下，未必適合，這也是目前經(jīng)驗判別式仍被大量采用的原因.目前對于理論模型的研究仍不完善，有待進一步探究.

3.1 垂直管內(nèi)流型判別

3.1.1 Hewitt流型圖

在氣液兩相流中，在兩相流體物性、物理模型、熱流密度確定時，可使用流型圖來確定管內(nèi)流型.流型圖是根據(jù)實驗結(jié)果繪制得出的，因此當使用流型圖進行判別時，不應超出繪制流型圖時的實驗數(shù)據(jù)范圍.Hewitt流型目前被廣泛應用，具體流型圖如圖2所示[27]，該流型圖基于空氣水混合物的實驗數(shù)據(jù)得出，管道類型為圓管，壓力范圍為0.14 MPa～0.54 MPa.

圖2 Hewitt流型圖

圖2中橫坐標為

(1)

(2)

公式中：ρl和ρg分別為液相密度與氣相密度，kg/m3；νl和νg分別為液相的折算流速與氣相折算速度，m/s；G為工質(zhì)總質(zhì)量流率，kg/(m2·s)；x為干度.

3.1.2 垂直管內(nèi)流型理論判別法

圖3 泡狀流和彈狀流(或塊狀流)之間的過渡

(3)

公式中：J1為液相折算速度，m/s；Jν為氣相折算速度，m/s；g為重力加速度，m/s2；ρl為液相密度，kg/m3；ρν為氣相密度，kg/m3；σ為表面張力，N/m.

3.2 水平管內(nèi)流型判別

Hajal等[28]基于HFC制冷劑(R134a，R125，R32，R410A，R236fa)在水平管內(nèi)的流型數(shù)據(jù)，修改了Kattan等[29]的流型判據(jù)，考慮了對比壓力的影響，分析認為低對比壓力下截面含汽率適用于Axelsson模型[30]，高對比壓力下適用于均相流模型，為了計算整個壓力范圍內(nèi)的截面含汽率，Hajal等[28]將這兩個計算模型進行對數(shù)平均，并在冷凝換熱理論模型基礎(chǔ)上用大量的冷凝換熱系數(shù)實驗數(shù)據(jù)驗證該截面含汽率計算的可靠性，最后基于新的截面含汽率計算模型.

其流型的轉(zhuǎn)換條件如下：

環(huán)狀流：

G>Gwa，GxIA

.

(4)

間歇流：

G>Gwavy，G

.

(5)

分層-波狀流：

Gstrat

.

(6)

分層流：

G

.

(7)

霧狀流：

G>Gmist

，

(8)

公式中：

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

3.3 傾斜管內(nèi)流型判別

Mohseni[31]等研究了-90°～90°范圍內(nèi)不同傾角、53 kg/(m2·s)～212 kg/(m2·s)質(zhì)量流率范圍內(nèi)R134a制冷劑凝結(jié)流在微翅片管內(nèi)的兩相流流型.他們發(fā)現(xiàn)，傾角為90°(垂直向下)時，流型在所有情況下都是環(huán)狀的，而傾角為60°和30°時，則是環(huán)狀、半環(huán)狀和分層流.Lips和Meyer[32]通過實驗對工質(zhì)為R134a的制冷劑在內(nèi)徑為8.38 mm的傾斜管內(nèi)冷凝過程進行分析研究，給出了不同質(zhì)量流率、不同干度、不同傾角、不同流動方向下的流型.結(jié)果表明，當流量或干度較小時，傾角對于流型影響明顯，而對于高質(zhì)量流量或干度，無論傾角如何，流型通常是環(huán)狀流.

3.4 螺旋管內(nèi)流型判別

陳學俊[20]等對空氣-水兩相流在立式螺旋管中的流型進行了實驗研究，將柱塞狀流和彈狀流看成統(tǒng)一的間歇狀流，此時包括以下幾類流型，波狀流、間歇狀流或環(huán)狀流、分散泡狀流.根據(jù)實驗數(shù)據(jù)給出以下三條轉(zhuǎn)換邊界，如下式所示.

波狀流與間歇狀流或環(huán)狀流轉(zhuǎn)換：

(14)

間歇狀流與環(huán)狀流轉(zhuǎn)換：

(15)

間歇狀流與分散泡狀流轉(zhuǎn)換：

(16)

(17)

(18)

公式中：σ為0.07 N/m，α為螺旋上升角.

4 結(jié)論與展望

本文針對管內(nèi)氣液兩相流流型研究進展進行了較為全面的整理總結(jié)，結(jié)果表明，流型受到多種因素的影響，而且不同流動形式無法用同一種過渡準則來進行判別與預測.雖然1966年Hubber和Dukler提出了定量分析方法，推動了流型過渡條件的研究但仍有很多未能完全解決的問題：

(1)目前大多數(shù)過渡曲線以二維坐標來表達，但影響流型的參數(shù)過多，二維平面坐標系難以實現(xiàn)多參數(shù)影響.

(2)現(xiàn)有流型圖繪制方法因存在主觀人為判斷因素的影響，導致流型圖存在偏差，需要尋找定量化測量的方法和識別技術(shù).

(3)一些對流型影響的因素及規(guī)律尚未被充分認識，不同工質(zhì)在不同工況下流型轉(zhuǎn)換機理不同，大部分機理尚未被充分認識，目前的機理研究主要基于空氣-水的實驗數(shù)據(jù)，具有局限性，有待進一步研究.